化学反应中的质量关系和能量关系

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,海洋,化学,材料,生命,航天,资源,信息,环保,无机化学,有机化学,分析化学,物理化学,高分子化学,化学物理,无机化学,选用教材,无机化学,第,四,版，天津大学主编，高教出版社,主要参考书,无机化学,大连理工大学主编，高教出版社,大学化学原理及应用,樊行雪等主编，,化学工业出版社,无机化学主要内容,化学反应基本原理,化学反应中的能量关系，化学反应方向、速率和限度，,溶液中的离子平衡、氧化还原反应。,结构化学基础,原子结构、分子结构、晶体结构、配合物结构。,元素化学,稀有气体、卤素、氧族元素、氮族元素、碳族与硼族元素、碱金属与碱土金属、过渡元素、镧系和锕系元素。,1.,初步掌握化学热力学、化学平衡、基础电化学、近代物质结构、元素周期律等基本原理。,2.,运用基本原理去掌握有关无机化学中元素和化合物的基本知识，并具有对一般无机化学问题进行理论分析和计算的能力。,3.,为今后学习后继课程及新理论、新实验打下必要的无机化学基础。,学习无机化学目的,第,1,章 化学反应中的质量关系和能量关系,1.,2,化学中的计量,1.,4,化学反应中的能量关系,1.,3,化学反应中的质量关系,1.1,物质的聚集态和层次,物质的聚集态?,三态？四态？五态？六态？,气态、液态、固态、等离子态,物质的层次?,宇观、宏观、介观、微观,物质的聚集态和层次,1.,2,.1 相对原子质量和相对分子质量,相对原子质量（,A,r,）,元素的平均原子质量与核素,12,C,原子质量的,1/12,之比。,A,r,(H)=1.0079,A,r,(O)=15.999,相对分子质量（,M,r,）,物质的分子或特定单元的平均质量与核素,12,C,原子质量,的,1/12,之比。,M,r,(H,2,O)=18.0148=18.01,M,r,(NaCl)=58.443 =58.44,Ar(H)=1.0078,99.985%+2.0140,0.015%=1.0079,化学中的计量,1.,2,.2 物质的量及其单位,物质的量,(,n,/mol),用于计量指定的微观基本单元（如分子、原子、离子、电子等微观粒子或其特定组合）的一个物理量。,1 mol,N,A,个微观基本单元,0.012 kg,12,C,所含的碳原子数目,阿伏加德罗常数,(N,A,6.02,10,23,),在使用摩尔单位时，一定要指明基本单元,摩尔分数,（无量纲）,混合物中，,B,的物质的量,(,n,B,),与混合物的物质的量,(,n,),之比。,例如,，,在含有1 mol O,2,和 4 mol N,2,的混合物中：,x,(O,2,)=1 mol/(1+4)mol=1/5,x,(N,2,)=4 mol/(1+4)mol=4/5,注意,化学中的计量,1.,2,.3 摩尔质量和摩尔体积,1.,摩尔质量,(,M,/,kg,mol,1,或,g,mol,1,),某物质的质量（,m,）除以该物质的物质的量（,n,）,M,=,m,/,n,2.,摩尔体积,(,V,m,/,L,mol,1,),某气体物质的体积（,V,）除以该气体物质的量（,n,）,V,m,=,V,/,n,在标准状况,(273.15 K,及,101.325 kPa),下，,任何理想气体的摩尔体积为,V,m,=0.022414 m,3,mol,1,=,22.414 L,mol,1,22.4 L,mol,1,化学中的计量,1.,2,.4 物质的量浓度,物质的量浓度,(,c,B,/,mol,L,1,),混合物中某物质,B,的物质的量,(,n,B,),除以混合物的体积,c,B,=,n,B,/,V,例：,160.00 g NaOH(s),溶于少量水中，再将所得溶液稀释,至,2.0 L,，试计算该溶液物质的量浓度。,M,r,(NaOH)=22.99 +16.00+1.01=40.00,M,(NaOH)=40.00 g,mol,1,解：,M(NaOH),n,(NaOH)=,m,(NaOH),=,160.00 g,40.00 g,mol,1,=4.00 mol,4.00 mol,V,c,(NaOH)=,n,(NaOH),=,2.0 L,=2.0 mol,L,1,化学中的计量,1.,2,.5 气体的计量,pV,=,nRT,p,气体的压力，,Pa;,V,气体的体积，,m,3,n,气体的物质的量，,mol,T,气体的热力学温度，,K,R,摩尔气体常数,。,1.,理想气体状态方程,R,=,pV,nT,=,101.32510,3,Pa22.41410,3,m,3,1 mol273.15 K,=,8.314 Pa,m,3,mol,1,K,1,=,8.314 J,mol,1,K,1,适用条件：气体压力不太高、温度不太低,分子间的距离大，,分子本身的体积和分子间的作用力均可忽略。,化学中的计量,2.,理想气体分压定律,道尔顿分压定律：,混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之和，即,气体,B,和混合气体的物质的量分别为,n,B,和,n,，则,:,p,=,p,B,pV,=,nRT,p,B,=,n,B,(,RT,/,V,),p,=,n,(,RT,/,V,),p,B,/,p,=,n,B,/,n,或,混合气体中任一组分的分压,p,i,等于该气体的物质的量分数与总压之积。,分压定律的中一种表示式,p,B,=,(,n,B,/n,),p,化学中的计量,1.,3,.1 应用化学反应,方程式的计算,例 氯碱工业用电解法制取氯气，若每投入,9.0,10,2,kg NaCl,，制得的氯气在标准状况下只有,150 m,3,，试计算其产率。,解,：,2NaCl+2H,2,O,2NaOH+H,2,+Cl,2,2.0 mol,22.4,10,3,m,3,n,(NaCl),x,n,(NaCl)=,m,(NaCl),M,(NaCl),=,9.0,10,2,10,3,g,(22.99+35.45)g,mol,1,=1.5,10,4,mol,=,2.0 mol,=,1.5,10,4,mol,22.4,10,3,m,3,x,1.7,10,2,m,3,产率,=,实际产量,理论产量,100%=,150 m,3,1.7,10,2,m,3,100%=88%,利用化学反应方程式,反应物量,产量,产量,反应物量,化学反应中的质量关系,1.,3,.2 化学计量数与反应进度,1.,化学计量数（,/,无量纲）,c,C+,d,D=,y,Y +,z,Z,0=,c,C,d,D+,y,Y +,z,Z,令 ,c,C,，,d,D,，,y,Y,，,z,Z,则,0=,C,C+,D,D+,Y,Y +,Z,Z,化学计量数通式：,B,反应中的分子、原子或离子,B,化学,计量数，整数或简分数,例如,N,2,+3H,2,2NH,3,0=,N,2,3H,2,+,2NH,3,=,(,N,2,)N,2,+,(,H,2,)H,2,+,(,NH,3,)NH,3,(,N,2,)=1,(,H,2,)=3,(,NH,3,)=2,化学反应中的质量关系,2.,反应进度,(,/mol),表示化学反应进行的程度的量,2,CO(g)+O,2,(g)=,2,CO,2,(g),各物质的量的变化为,n,CO,2,=2,n,/mol,，,n,CO,=,2,n,/mol,，,n,O,2,=,n,/mol,参与反应各物质的量,变化,与相应的,化学计量数,之比,必然相等,令 ,n,B,/,B,=,或,d,n,B,/,B,=,d,当,=0,时，表示没有反应发生。,当,=1,mol,时,，,表示反应按计量方程自左向右进行。,化学反应中的质量关系,如,N,2,+3H,2,2NH,3,反应开始之前，反应物足够多，产物为0,(,N,2,)=,1,(,H,2,)=,3,(,NH,3,)=2,根据,=,n,B,/,B,同一方程式，,值与选用何种物质的,n,进行计算无关；,同一方程式写法不同，相同,值时对应各物质的,n,不同。,n,(,N,2,)/mol,n,(,H,2,)/mol,n,(,NH,3,)/mol,/mol,0,0,0,0,1/2,3/2,1,1/2,1,3,2,1,2,6,4,2,当,=1mol,时：,化学反应方程式,n,(,N,2,)/mol,n,(,H,2,)/mol,n,(,NH,3,)/mol,1/2N,2,+3/2H,2,NH,3,1/2,3/2,1,N,2,+3H,2,2NH,3,1,3,2,化学反应中的质量关系,(kg),(m),(s),(K),(mol),(A),(cd),SI,制：,质量,m,长度,l,时间,t,温度,T,物质的量,n,电流强度,I,发光强度,化学量纲：,摩尔质量,M,摩尔体积,V,m,物质的量浓度,c,B,化学计量数,B,反应进度,计算时，单位一定要统一,(g,mol,1,),(L,mol,1,),(mol,L,1,),理想气体状态方程：,(,无量纲,),(mol),回顾,1.,4,.1 基本概念和术语,1.体系与环境,体系,:,被研究的对象,环境,:,与体系相联系的客观物质世界,体系与环境间可以有具体的界面，也可以是假想的界面,化学反应中的能量关系,敞开体系,封闭体系,孤立体系,能量交换,物质交换,状态,(state),:,体系宏观性质的综合表现。,状态函数,(state function):,描述体系状态的物理量,，,如：,n,V,T,p,等。,状态一定，状态函数一定,状态变化，状态函数也随之而变,状态函数的变化值只与始态、终态有关,与变化,途径,无关,例如：,1mol,p,1,=101325 Pa,T,1,=273 K,V,1,=22.4 L,1mol,p,2,=1013250 Pa,T,2,=546 K,V,2,=4.48 L,V,=,V,2,V,1,=(4.48 22.4)L=17.9 L,状态函数的改变量,T,=,T,2,T,1,=(546,273)K=273 K,p,=,p,2,p,1,=(1013250,101325)Pa=911925 Pa,2.,状态和状态函数,特征,化学反应中的能量关系,功,(work),：,体系,与环境之间,除热之外,以其它形式传递的能量,以,W,表示,非体积功：,除体积功之外的功，,如电功等。,热(heat)：,体系与环境间因温差而,传递的,能量,以,Q,表示,规定：,体系,吸热,Q,0,体系放热,Q,0,体系失功,W,0,反应为吸热反应,H,0,反应为放热反应,Q,p,=,U+p,V=U,2,U,1,+pV,2,pV,1,=,(,U,2,+pV,2,),(,U,1,+pV,1,),焓变,H,具有能量单位，以,kJ,mol,1,表示,反应焓变,(,H,/,kJ,mol,1,),状态函数,?,化学反应中的能量关系,热化学方程式：,表示化学反应与热效应关系的方程式。,注明反应条件（温度、压力）,标明聚集态,Q,p,具有容量性质,(可加减),正逆,反应的,Q,p,绝对值相同，符号相反,热量变化的正确写法,Q,p,=,r,H,m,=,-,241.82 kJ,mol,-,1,r,H,m,摩尔反应焓变,2.,热化学方程式,H,2,(g)+O,2,(g),H,2,O(g),1,2,298.15K,100 kPa,说明,化学反应中的能量关系,赫斯定律（,G.H.Hess Law),：,一定的化学反应，无论是一步完成，还是分几步完成，它们的热效应总是相同的。,应用赫斯定律不仅可计算某些恒压反应热，还可计算难以或无法用实验测定的反应热。,3.,赫斯定律,其实质,是反应的热效应只与反应的始态与终态有关，而与变化的途径无关。,例,计算,298.15 K,和标准状态下，,C(,石墨,)+O,2,(g)=CO(g),的热效应,Q,p,。,已知：,(1)C(,石墨,)+O,2,(g)=CO,2,(g),Q,p,1,=393.5 kJ,mol,1,(2)CO(g)+O,2,(g)=CO,2,(g),Q,p,2,=283.0 kJ,mol,1,1,2,化学反应中的能量关系,解:,Q,p,